蒋 仕 良全国特种设备无损检测考委会考委 （RT、UT、MT、PT、AE五项高级资格）天津石化公司机械研究所 高级工程师TEL：022-63802672,2,第一章 绪论,3,声发射材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象。 (Acoustic Emission, 简称AE) ，也称为应力波发射。声发射事件引起声发射的局部材料变化。 声发射源材料中直接与变形和断裂机制有关的弹性波发射源。声发射源的实质是指声发射的物理源点或发生声发射的机制源。材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。 其它声发射源流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源。也称为二次声发射源。,声发射的概念,4,声发射信号的频率几HZ到数MHZ，包括次声频、声频（20HZ20KHZ）、超声频。 声发射信号幅度从微观的位错运动到大规模的宏观断裂，变化范围很大，波长范围从10-13m的微观位错运动到1m量级的地震波；传感器的输出可包括数v到数百mv。不过多数声发射信号为只能用高灵敏度传感器才能探测到的微弱振动。 声发射检测技术用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术 。,5,1 声发射技术发展,最自然的声发射：如折断树技、岩石破碎和折断骨头、地震等的断裂过程无疑是人们最早听到的声发射信号。 五十年代初：现代的声发射技术的开始以Kaiser在德国所作的研究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。 Kaiser Amercian,a student of Germany Munich Universty。 Kaiser Effect材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号。 Felicity Effect材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象，称为费利西蒂效应。（PAEPmax），称为费利西蒂比。 PAEPmax 0.95作为声发射源超标的重要判据。,6,1 声发射技术发展,五十年代末：美国人Kaiser，Schofield和Tatro经大量研究发现金属塑性形变的声发射主要由大量位错的运动所引起5。 六十年代初：Green等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用, Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个六十年代, 美国和日本开始广泛地进行声发射的研究工作, 将这一技术应用于材料工程和无损检测领域。美国于1967年成立了声发射工作组，日本于1969年成立了声发射协会。,7,1 声发射技术发展,七十年代初：Dunegan等人于开展了现代声发射仪器的研制，他们把实验频率提高到100KHz-1MHz的范围内 。整个七十年代和八十年代初人们从声发射源机制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的深入研究工作。 八十年代初：美国PAC公司将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统, 设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器, 并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件, 通过微处理计算机控制, 可以对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析显示。,8,1 声发射技术发展,由于采用286及更高级的微处理机和多功能检测分析软件，仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提高，仪器的信息存储量巨大，从而提高了声发射检测技术的声发射源定位功能和缺陷检测准确率。 九十年代：美国PAC公司、美国DW公司和德国Vallen Systeme公司先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。,9,1 声发射技术发展,我国于七十年代初首先开展了金属和复合材料的声发射特性研究，八十年代中期声发射技术在压力容器和金属结构的检测方面得到应用，目前我国已在声发射仪器制造、信号处理、金属材料、复合材料、磁声发射、岩石、过程监测、压力容器、飞机等领域开展了广泛的研究和应用工作。 我国于1978年在中国无损检测学会成立了声发射专业委员会，并于1979年在黄山召开了第一届全国声发射学术会议，近年来已固定每两年召开一次学术会议，到目前为止已召开了十一届（浙江杭州）。 声发射标准：ASME、ASTM、BS、DIN、JIS、EROUP、CHINESE（GB/T18182-2000），AND SO ON。,10,2 声发射检测的基本原理,原理：从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。,11,3 声发射检测的的主要目的,确定声发射源的部位； 分析声发射源的性质； 确定声发射发生的时间或载荷； 评定声发射源的严重性。一般而言，对超标声发射源，要用其它无损检测方法进行局部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。GB18182：检测由金属压力容器压力管道的器壁、焊缝、装配的零部件等表面和内部产生的声发射源，并确定声发射源的部位及划分综合等级。,12,4 声发射技术的特点,声发射技术的优点(1) 声发射检测是一种动态检验方法；(2) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感；(3) 声发射检测在一次试验过程中能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态；(4) 可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报；,13,4 声发射技术的特点,声发射技术的优点 (5) 适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境； (6) 对于在役压力容器的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产； (7) 对于压力容器的耐压试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作压力； (8) 适于检测形状复杂的构件。,14,声发射技术的缺点 (1)对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验。因为声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰。 (2) 声发射检测，一般需要适当的加载程序。多数情况下，可利用现成的加载条件，但有时，还需要特作准备； (3) 声发射检测目前只能给出声发射源的部位、活性和强度，不能给出声发射源内缺陷的性质和大小，仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。,4 声发射技术的特点,15,5 声发射检测方法和其它常规无损检测方法的特点对比,16,6 声发射技术的应用领域,(1) 石油化工工业；(2) 电力工业；(3) 材料试验；(4) 民用工程；(5) 航天和航空工业；(6) 金属加工；（7) 交通运输业；(8) 其他。,17,第一章习题：,18,第二章 声发射检测的物理基础,19,第一节 材料的结构,晶体材料固体材料中原子按一定的规则进行排列，则这些材料被称为晶体材料。如金属、陶瓷、各种无机盐和各种岩石（包括钻石、矿石） 非晶体材料原子以无序状态进行排列或者原子之间互相形成长链的大分子而大分子以无序状态进行排列，则这些材料被成为非晶体材料，比如玻璃、各种有机固体材料（包括塑料、橡胶、木材）液态急冷产生,20,第一节 材料的结构,封闭致密六边形（晶体）,21,第一节 材料的结构,面心立方（有色金属、 奥氏体） 体心立方（碳钢、低合金钢、铁素体）,22,第一节 材料的结构,位错晶体中的原子在排列时会有缺陷产生（点、线缺陷），将产生的线缺陷称之为位错。位错是晶格中原子范围大小的线缺陷， 位错的形成结晶中的位错是由熔融状态下固化过程中形成的，典型的工程应用金属材料在每个微观的晶粒中就有几百万个位错， 位错的形式刃型位错与螺型位错。,23,第一节 材料的结构,晶体中的点缺陷 ：空位 、间隙原子 、点缺陷 、杂质原子,24,第一节 材料的结构,刃型位错 螺型位错,a）刃型位错 b）螺型位错,25,第一节 材料的结构,晶界晶粒之间的界面称为晶界。典型晶粒的大小为几微米到几百微米之间。,在晶粒内部，有可能存在各种不同材料的微小的夹杂物，例如，铁素体钢中的部分碳可以形成Fe3C（碳化铁），它具有自已的结晶结构，并在局部位置上代替了铁素体晶格。夹杂对金属的机械性能具有非常大的影响。,26,第二节 材料力学,应力材料单位面积上所受的作用力。物体内的应力称为应力场 。应力的单位：Kg/cm2 和 Mpa。与压强的单位相同。 应力的种类拉应力、压应力和剪切应力。根据物体的结构和加载方式的不同，物体内出现的应力状态也不同，分别有拉应力、压应力和剪切应力。实际物体结构中的应力要复杂得多，通常是这三种应力的组合。,27,第二节 材料力学,拉应力 压应力 剪切应力,28,第二节 材料力学,圆柱形压力容器在内压力P作用下，薄壁圆柱形压力容器筒体承受两个方向的拉伸应力，即轴向应力L和环向应力C：,29,第二节 材料力学,L =C =,薄壁圆柱形压力容器筒体轴向应力L和环向应力C的大小计算：,30,第二节 材料力学,应变应力所产生的变形称为应变。应变的计算：,应变是无量纲，即无单位，应变通过分数或百分数表示 。 应力与应变的关系在应力和应变很小的条件下，固体材料呈弹性的性质，应力与应变成正比；当作用应力达到较高值的条件下，应力与应变不成正比关系。,31,第二节 材料力学,材料的应力应变曲线(应力与应变的关系),32,第二节 材料力学,弹性模量材料在弹性变形范围里，应力与应变的比值。,弹性模量,33,第三节 材料弹性和塑性变形,弹性变形材料在应力作用下产生变形，当应力消逝后，材料的变形也将消逝，材料完全回复到原来的状态，这种变形即称为弹性变形。 塑性变形材料在应力作用下产生变形，当应力消逝后，即使材料的应力全部解除，材料也不能回复到原来的状态，即永久变形，这种变形即称为塑性变形。这时，材料的应力达到或超过了材料的屈服点，材料产生的塑性变形，材料也不能回复到原来的状态。,34,第三节 材料弹性和塑性变形,声发射检测主要讨论材料的塑性变形。 材料的塑性变形（金属）机理由位错运动和孪生变形所引。 位错运动位错在晶体内的移动。 孪生变形在晶粒大小范围内整个晶格截面取向改变为两个完全相同的“孪生”（镜面）晶体 。,35,第三节 材料弹性和塑性变形,韧位错运动 （产生晶格变形）,36,第三节 材料弹性和塑性变形,大量位错运动的结果将导致材料产生如下的结果： 滑移 屈服 留德尔斯线（钢） 裂纹尖端塑性区 空隙增长和聚结 韧性斯裂,37,第三节 材料弹性和塑性变形,孪生变形孪生产生较高幅值的声发射，孪生发生在锡、锌、钛中，但不发生在钢与铝中。,38,第三节 材料弹性和塑性变形,裂纹周围的应力场分布内部带有裂纹的材料在受到应力作用时，应力场必定要“围绕着”裂纹的边界产生集中 ，应力的集中作用将使裂纹尖端的材料产生变形，甚至破坏，而这时材料的其它部位还都处于强性范围以内 。在材料整体处于弹性范围时，裂纹和类似的缺陷确已经产生了声发射信号。,39,第三节 材料弹性和塑性变形,裂纹周围的应力场分布图,40,第三节 材料弹性和塑性变形,临界裂纹是指达到这一点后，裂纹将很快地前进扩展，并且迅速地使部件断裂。 断裂韧性材料抵抗断裂的能力。用KIc来衡量材料的断裂韧性。裂纹尖端附近应力场的强度通过“应力强度因子”K来描述，K值与作用在部件上的载荷和裂纹的大小有关。K的临界值就是用于裂纹张开的力，在这个力的作用下裂纹将很快扩展，同时部件将立刻断裂。用KIc来表示K的临界值。 亚临界裂纹就是发生在临界裂纹发生以前的裂纹。 “亚临界”裂纹扩展就是发生在裂纹临界扩展发生以前的扩展。能引起亚临界裂纹扩展的条件下如下：a) 不断上升的载荷作用b) 疲劳（循环或重复载荷）c) 应力腐蚀开裂d) 氢脆开裂e) 腐蚀疲劳,